蘇木化在心肌缺血再灌注損傷中的作用及機(jī)制研究進(jìn)展

張偉 綜述 仇治梅，谷寧，石蓓 審校

1.遵義醫(yī)科大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，貴州 遵義 563000；2.遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科，貴州 遵義 563000

心血管疾病最近已成為全球衛(wèi)生保健系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要負(fù)擔(dān)[1]。心肌梗塞(myocardial infarction，MI)每年危及全球超過700 萬人的健康和生命[2]?，F(xiàn)有的介入冠狀動脈再灌注策略可有效控制心肌梗死的發(fā)病率和死亡率。再灌注恢復(fù)是挽救存活心肌、限制心肌梗死大小、保留心臟收縮功能、延緩心力衰竭發(fā)展的主要治療方法[3]。然而，血液流動的再通不僅能恢復(fù)氧氣和營養(yǎng)供應(yīng)，而且還會損害心肌。這種病理生理現(xiàn)象被稱為心肌缺血/再灌注(myocardial ischemia/reperfusion，MI/R)損傷。MI/R 損傷的潛在機(jī)制尚未完全闡明?，F(xiàn)有研究認(rèn)為，氧化應(yīng)激、鈣超載、線粒體功能障礙、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、凋亡和自噬通路的激活以及表觀遺傳變化可能與其有關(guān)[4]。然而，目前對預(yù)防MI/R損傷仍無有效的治療方法。因此，提出新的心臟保護(hù)策略迫在眉睫。

翻譯后修飾(post-translational modification，PTM)對于調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化、活性和功能至關(guān)重要，并且涉及幾乎所有的細(xì)胞途徑和過程[5]。PTM是小化學(xué)官能團(tuán)的共價加成，例如磷酸基(磷酸化)、甲基(甲基化)或乙?；?乙?；?；脂類，如疏水異戊二烯聚合物(異戊二烯化)；糖例如糖基(糖基化)；甚至是小肽，如泛素(泛素化)、SUMO(蘇木化)等。事實上，翻譯后修飾對于調(diào)整各種信號通路以維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和使細(xì)胞適應(yīng)各種壓力刺激至關(guān)重要[6]。在不同的翻譯后修飾中，蘇木化描述了一個由五個小的泛素樣修飾(SUMOs)蛋白組成的家族，即SUMO1-5，可以與特定的蛋白質(zhì)形成共價和可逆的結(jié)合物，從而調(diào)節(jié)各種細(xì)胞過程和功能[7]，這種結(jié)合的后果可以發(fā)展到不同的疾病過程[8]。

已經(jīng)證實，小泛素樣修飾劑可以調(diào)節(jié)NFκB 和其他蛋白質(zhì)，如沉默Kruppel 樣因子(Kruppel-like factor，KLF)和細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶5(extracellular signal-regulated kinase 5，ERK5)，它們在動脈粥樣硬化形成中起關(guān)鍵作用[9]。據(jù)報道，肝再生增強(qiáng)劑通過抑制動力相關(guān)蛋1 的蘇木化可保護(hù)肝臟免受缺血再灌注損傷[10]。也有人提出，通過調(diào)節(jié)膜聯(lián)蛋白-A1 的去蘇木化可抑制大腦的缺血再灌注損傷[11]。然而，關(guān)于SUMO系統(tǒng)的特異性調(diào)節(jié)和心臟缺血再灌注損傷(MI/R)之間的調(diào)節(jié)機(jī)制知之甚少。蘇木化在心血管疾病中的作用較復(fù)雜，心血管疾病中蘇木化的調(diào)控機(jī)制尚不完全清楚。現(xiàn)就蘇木化在心肌缺血再灌注損傷及心臟保護(hù)中的作用及機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 缺血再灌注的病理生理過程

當(dāng)心臟的血液供應(yīng)受到限制時，心肌急性、持續(xù)性缺血缺氧，就會發(fā)生心肌梗塞。在血流恢復(fù)后，心肌組織同時接受再氧合。然而，缺血會導(dǎo)致初始損傷，而再灌注會進(jìn)一步加劇心臟組織的炎癥反應(yīng)[12]。因此，缺血再灌注損傷在兩種不同的病理生理狀態(tài)下加重了心肌損傷：即缺血和隨后的再灌注[12-13]。在缺血狀態(tài)下，環(huán)境中的氧氣不足以維持線粒體中的氧化磷酸化，腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine-triphosphate，ATP)的產(chǎn)生會大大減少，導(dǎo)致Na+-K+-ATP酶的功能障礙和細(xì)胞內(nèi)鈣、鈉和氫濃度的升高[14]。隨后，細(xì)胞腫脹而影響細(xì)胞質(zhì)酶的活性。長期缺血會導(dǎo)致心臟進(jìn)行性和不可逆性損傷。在形態(tài)學(xué)上，這種不可逆性損傷的特征是糖原耗竭、核染色質(zhì)邊緣化、線粒體腫脹和肌膜斷裂[15]。在再灌注過程中，線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability conversion pore，mPTP)開放是心肌細(xì)胞死亡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，多種因素觸發(fā)mPTP的開放可誘發(fā)心肌損傷，包括線粒體鈣、Ca2+超載、氧化應(yīng)激、高磷酸鹽濃度等[16]。心肌缺血再灌注(MI/R)損傷是一個復(fù)雜的病理生理過程，涉及多個信號通路[17]。有研究表明，缺血增加蘇木化水平，而再灌注進(jìn)一步增加了動物模型和細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)中各種蛋白質(zhì)的蘇木化[18]。作為PTM的關(guān)鍵類型，蘇木化和去蘇木化在心臟缺血再灌注損傷機(jī)制中發(fā)揮著重要作用。

2 蘇木化(SUMOylation)與去蘇木(deSUMOylation)

2.1 小泛素相關(guān)修飾劑 小蛋白如泛素和泛素樣修飾劑(ubiquitin like modifier，ULM)可以共價連接到其靶蛋白的不同賴氨酸殘基上，與選定的蛋白質(zhì)形成共價和可逆的結(jié)合物，從而調(diào)節(jié)各種細(xì)胞過程和功能。迄今為止，已鑒定出五種SUMO亞型(SUMO1、2、3、4和5)。SUMO1和2/3在體內(nèi)廣泛分布，SUMO4僅在腎臟、脾臟和淋巴結(jié)中發(fā)現(xiàn)。作為最近發(fā)現(xiàn)的家族成員，SUMO5 在靈長類動物中被鑒定并表現(xiàn)出高度的組織特異性，可能參與早幼粒細(xì)胞白血病核小體的調(diào)控?；谝患壗Y(jié)構(gòu)，SUMO1 與SUMO2 和SUMO3具有48%的同源序列，而后兩種異構(gòu)體高度相似，同源性為97%[19]。SUMO4與SUMO2/3具有85%的同源性，SUMO5 與SUMO1 高度同源[20]。到目前為止，SUMO 分子的底物已經(jīng)發(fā)現(xiàn)幾百種，大多數(shù)底物存在于細(xì)胞核中，還有少部分底物存在于細(xì)胞質(zhì)、線粒體和細(xì)胞膜中。

2.2 蘇木化(SUMOylation)及去蘇木化(deSUMOylation)之間的動態(tài)平衡 已有研究證明，通過將SUMOs 連接到特定的賴氨酸殘基上與蛋白質(zhì)形成共價結(jié)合物可調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)功能，這表明了一種新的PTM 機(jī)制[21]。因此，蘇木化被提出來描述通過多步酶促反應(yīng)級聯(lián)可逆地連接到賴氨酸殘基來描述各種蛋白質(zhì)的修飾過程。SUMOs通過三個反應(yīng)步驟共價結(jié)合到底物蛋白的賴氨酸殘基上：即SUMOs 激活、SUMOs 偶聯(lián)和SUMOs 連接。首先，成熟的SUMOs被E1 激活酶(SUMO-activating enzyme 1，SAE1)激活。然后，將SUMOs轉(zhuǎn)移到唯一的E2綴合酶(ubiquitin-conjugating enzyme 9，Ubc9)。最后，通過E3 連接酶促進(jìn)E2/UBC9SUMO復(fù)合物與底物共價結(jié)合[21]。去蘇木化描述了通過特異性蛋白酶(SUMO-specific proteases，SENPs)從靶蛋白中去除SUMOs 的過程[22-23]。SENP 家族包括六個成員，即SENP1-3、5-7，不同的SENP成員作用于特定的SUMO化蛋白[23]。SENP1 和SENP2 催化所有類型的SUMOs 蛋白的去SUMO 化，SENP3、5、6 和7 主要催化SUMO2/3 衍生的蘇木化蛋白[23]。蘇木化和去蘇木化在生理條件下是動態(tài)平衡的。蘇木化可誘導(dǎo)蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化，從而調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)功能，去蘇木化可以消除蘇木化對蛋白質(zhì)功能的影響[7]。此外，蘇木化可以促進(jìn)或阻斷與SUMOs底物相互作用的分子的結(jié)合，在各種分子過程中發(fā)揮重要作用[24]。因此，蘇木化和去蘇木化可協(xié)調(diào)各種細(xì)胞信號通路的調(diào)節(jié)。

3 蘇木化(SUMOylation)在心肌缺血再灌注損傷中的作用及機(jī)制

3.1 蘇木化在線粒體功能障礙中的作用 線粒體是有氧呼吸產(chǎn)生能量的主要場所，線粒體功能障礙則與多種心血管疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[25]。據(jù)報道，線粒體形態(tài)動力學(xué)在MI/R損傷中發(fā)揮著重要作用[26-27]。動力相關(guān)蛋白1(dynamically-associated protein 1，Drp1)是調(diào)節(jié)線粒體形態(tài)和裂變的重要線粒體蛋白，已被確定為心肌缺血損傷期間線粒體形態(tài)變化的介質(zhì)[28]。Drp1的SUMO化可能通過抑制其從細(xì)胞質(zhì)易位到線粒體，維持線粒體形態(tài)，抑制線粒體裂變[29]，也可能通過激活線粒體的自噬和抑制活性氧(ROS)的產(chǎn)生[30]，進(jìn)而保護(hù)心臟免受MI/R損傷。所以，Drp1的SUMO化可防止MI/R損傷，這表明了一種針對應(yīng)激的保護(hù)機(jī)制。

3.2 蘇木化對肌質(zhì)網(wǎng)膜上Ca2+ATP酶的作用 肌漿網(wǎng)(SR)Ca2+ATP 酶(SERCA2a)是一種重要的ATP 水解酶，在心臟中高度表達(dá)，用于控制興奮-收縮偶聯(lián)中Ca2+的再攝取和對肌漿網(wǎng)內(nèi)Ca2+的補(bǔ)充。以前的研究主要集中在心力衰竭中的SERCA2a功能。有研究表明，SERCA2a活性和Ca2+循環(huán)的失調(diào)是心力衰竭的病理特征，并可能導(dǎo)致其他心功能障礙的發(fā)展[31]。然而，很少有關(guān)SERCA2a蘇木化在MI/R損傷中的作用的研究。最近的一項研究發(fā)現(xiàn)，小鼠SERCA2a 可在賴氨酸585、480和571位點進(jìn)行SUMO化，這些位點的任何賴氨酸突變都可能會影響SERCA2a的ATP酶活性[32-33]。通過SUMO介導(dǎo)SERCA2a的蘇木化過程增加了SERCA2a的表達(dá)和活性，從而提高了線粒體膜電位，減少體外凋亡細(xì)胞，促進(jìn)心臟功能恢復(fù)，減少體內(nèi)梗死面積[32]。MI/R后SERCA和SUMO1以及蘇木化SERCA2a的蛋白質(zhì)水平降低[34]。SERCA2a 功能的降低因SUMO1敲低而加劇，并因SUMO1 過表達(dá)而發(fā)生逆轉(zhuǎn)[32]。此外，SUMO1 過表達(dá)可減少心肌細(xì)胞凋亡、減少梗塞面積并增強(qiáng)心臟功能[32]。總的來說，SUMO1 介導(dǎo)的SERCA2a 蘇木化是針對MI/R 損傷的重要心臟保護(hù)機(jī)制，其中，通過SERCA2a 蘇木化減輕了鈣超載是保護(hù)MI/R損傷中最重要的機(jī)制之一[16，32]。

3.3 蘇木化對法尼醇X受體(FXR)的作用 法尼醇X 受體(farnesoid-X-receptor，F(xiàn)XR)是一種核激素受體，在肝臟和胃腸道中大量表達(dá)，在脂質(zhì)、膽固醇、膽汁酸和葡萄糖的代謝中起關(guān)鍵作用[35]。先前曾報道FXR也在心臟中表達(dá)，并在介導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡中起促凋亡作用[36]。FXR 可以在心臟組織中被蘇木化，而FXR 的蘇木化水平在缺血和再灌注期間均被下調(diào)[37]。進(jìn)一步的機(jī)制研究表明，降低的蘇木化水平增加了FXR的轉(zhuǎn)錄活性，隨后上調(diào)的FXR靶基因SHP介導(dǎo)了促凋亡作用[37]。同時，觀察到線粒體凋亡通路的激活和自噬通路的功能障礙[38]。因此，F(xiàn)XR 的心臟作用可以通過蘇木化來調(diào)節(jié)并且操縱FXR 的SUMO 化水平可能是MI/R損傷的重要保護(hù)機(jī)制。

3.4 蘇木化對過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)的作用 過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxidase increment activates the receptor γ，PPARγ)是核激素受體家族中的配體激活受體，包括3 種亞型：PPAR-α、PPAR-β/δ和PPAR-γ[39]。PPAR-γ的激活可抑制缺血再灌注后心臟組織的炎癥反應(yīng)，并減輕病理性缺血損傷。有研究表明，PPARγ通過抑制NF-κB通路來預(yù)防MI/R損傷，而PIAS1介導(dǎo)的PPARγ蘇木化對于NF-κB 信號傳導(dǎo)的失活是必不可少的[40]。STAT(信號傳導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活蛋白)是一種能與DNA 結(jié)合的蛋白質(zhì)獨特家族，活化STAT抑制蛋白(PIAS)是一組能與STAT 結(jié)合的蛋白質(zhì)，包括PIAS1、PIAS3、PIASy、PIASxa 和PIASxβ，屬于以SP-RING 序列為特征的SUMOE3 連接酶[41]?；罨腟TAT 蛋白抑制劑1(PIAS1)是心肌中PPAR-γ蘇木化的特異性E3連接酶，在心肌缺血再灌注過程中，PIAS1被下調(diào)，因此PPAR-γ蘇木化相應(yīng)降低。PPAR-γ蘇木化的這種下降導(dǎo)致NF-κB活性的失調(diào)和抗凋亡和抗炎活性的抑制，導(dǎo)致缺血再灌注損傷的惡化[40]。總的來說，增加PIAS1介導(dǎo)的PPARγ蘇木化在MI/R損傷中起著關(guān)鍵作用。

3.5 蘇木化對組蛋白去乙?；?(HDAC4)的作用 組蛋白去乙?；?histone deacetylases，HDACs)構(gòu)成了一個轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子家族，可催化心血管疾病中一種重要類型的PTM。已經(jīng)有研究發(fā)現(xiàn)，HDAC 在MI/R的再灌注期間與活性氧(ROS)的產(chǎn)生和線粒體損傷有關(guān)[42]。HDACs分為四種類型，HDAC4 屬于Ⅱ類，Ⅱ類HDAC主要分布在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中，它是控制多效應(yīng)細(xì)胞功能基因表達(dá)的重要調(diào)節(jié)因子[42]。先前的研究表明，HDAC4 的蘇木化介導(dǎo)了泛素化并促進(jìn)了HDAC4的降解，導(dǎo)致HDAC4 活性被抑制并中斷細(xì)胞保護(hù)途徑[43]。另一項研究表明，HDAC4 的蘇木化還可通過減少乳酸脫氫酶(LDH)滲漏、缺氧復(fù)氧損傷中Caspase-3 陽性細(xì)胞的比例來提高心肌細(xì)胞的存活率并減少心肌細(xì)胞凋亡[44]。其次，HDAC4 的蘇木化還可以減少ROS 的產(chǎn)生和線粒體功能障礙，并在心肌細(xì)胞保護(hù)中發(fā)揮間接作用[45]。鳶尾素作為最近發(fā)現(xiàn)的心肌細(xì)胞因子，可以通過SUMO 依賴性機(jī)制降低HDAC4 的蛋白質(zhì)水平并減輕MI/R 損傷[46]。因此，促進(jìn)HDAC4 的SUMO 化可能是對抗MI/R 損傷的有效方法。

3.6 蘇木化對沉默信息調(diào)節(jié)因1(Sirt1)的作用 沉默信息調(diào)節(jié)因1(silent information regulator 1，Sirt1)是一種煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依賴性去乙?；福ㄟ^組蛋白脫乙?；{(diào)節(jié)基因表達(dá)。最近的研究表明，Sirt1 在氧化應(yīng)激和炎癥方面的病理學(xué)、進(jìn)展和治療中發(fā)揮著復(fù)雜的作用[47]。心臟Sirt1 主要在心肌細(xì)胞核中表達(dá)，蘇木化促進(jìn)了Sirt1的去乙?；富钚圆⒃鰪?qiáng)心肌對缺血的耐受性[48]。Sirt1的這種心臟保護(hù)作用主要通過改變Sirt1介導(dǎo)的核紅細(xì)胞2 相關(guān)因子2(Nrf2)乙?；癄顟B(tài)對蛋白質(zhì)進(jìn)行翻譯后修飾的作用調(diào)節(jié)[49]，通過抑制Nrf2抗氧化途徑來保護(hù)心臟免受MI/R損傷的影響。此外，Sirt1 可以在p65 的協(xié)同作用下通過去乙?；苯右种芅rf2的活性[50]。有人提出，NF-κ B可能與Nrf2 串?dāng)_，通過組蛋白去乙?；傅娜ヒ阴；富钚缘膮f(xié)同作用來調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激[50-51]。最近的一項研究表明，Sirt1 通過使p65 去乙酰化以抑制NF-κB依賴性炎癥反應(yīng)，在腦出血后發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[52]。所以，研究Sirt1的蘇木化對Nrf2的乙酰化和NF-κB的去乙?；^程的調(diào)控可能是MI/R損傷誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激的新調(diào)控機(jī)制。

3.7 蘇木化對缺氧誘導(dǎo)因子1α(HIF-1α)的作用 缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1 α)通過誘導(dǎo)許多缺氧反應(yīng)基因的表達(dá)在細(xì)胞和全身氧平衡中發(fā)揮重要作用[53]。HIF-1α介導(dǎo)缺氧信號級聯(lián)以在MI/R 損傷中表現(xiàn)出重要的心臟保護(hù)作用[54]。HIF-1α可在缺氧期間被SUMO1、SUMO2/3 蘇木化，而SUMO1 介導(dǎo)了HIF-1α在Lys391 和Lys477 殘基處蘇木化，從而在缺氧期間促進(jìn)了HIF-1α 的轉(zhuǎn)錄活性[55]。細(xì)胞核中缺氧誘導(dǎo)因子-1α(HIF-1α)的穩(wěn)定表達(dá)水平直接影響下游血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)信號通路，在缺氧環(huán)境中增強(qiáng)HIF-1α的蘇木化可調(diào)節(jié)血管生成[56]。也有研究表明，治療性低溫是減少缺血再灌注損傷的重要技術(shù)[57]，而增加HIF-1α的SUMO化可能是心肌細(xì)胞缺氧后低溫治療保護(hù)作用的重要分子機(jī)制[58]。所以，HIF-1α是一種氧敏感性轉(zhuǎn)錄因子，可介導(dǎo)對缺氧的適應(yīng)性代謝反應(yīng)，并在MI/R損傷中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

4 蘇木化在心臟保護(hù)中的作用

中度低溫顯著增強(qiáng)SUMO-1 介導(dǎo)的心肌細(xì)胞中各種靶蛋白的蘇木化而發(fā)揮心臟保護(hù)作用[57]。這些結(jié)果表明，中度低溫顯著增加了SUMO-1 和Bcl-2 的表達(dá)水平，以及線粒體膜電位，但顯著降低了Caspase-3和線粒體ROS的表達(dá)水平。因此，中度低溫可增強(qiáng)蘇木化并通過減少氧自由基產(chǎn)生來改善缺血再灌注后的血流動力學(xué)[57-58]。與上述結(jié)果一致，目前針對蘇木化信號通路中的基因操作，如法尼醇X受體靶基因的過表達(dá)、核轉(zhuǎn)錄因子紅系2 相關(guān)因子2 敲除、Ca2+ATP酶敲減，已被證實可以通過增加蘇木化的水平來抵抗或減輕心臟和心肌細(xì)胞的損傷[32，59]。此外，藥理干預(yù)也可以有效保護(hù)SUMO 依賴的心臟保護(hù)過程。研究發(fā)現(xiàn)，銀杏酸(GA)作為SUMO-1 抑制劑，通過降SUMO-1的表達(dá)，可以抑制血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)誘導(dǎo)的肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化和膠原蛋白生成[60]，可減少缺血再灌注后的致命性心臟損傷(梗死面積)和心肌功能障礙[60]。煙酰胺單核苷酸(NMN)為一種人體細(xì)胞能量生成物質(zhì)，可以減少體外大鼠心臟氧自由基產(chǎn)生并改善缺血再灌注后的血流動學(xué)[61]。最近的研究還發(fā)現(xiàn)，鳶尾素在缺血性心臟損傷中顯示出有益作用[9，46]。因此，蘇木化可能是上述心臟疾病的潛在治療靶點。

5 展望

蛋白質(zhì)的翻譯后修飾對心臟的疾病調(diào)節(jié)發(fā)揮重要作用，SUMO小分子蛋白以及參與SUMO化過程的各種核蛋白和核外蛋白(Drp1、HDAC4、HIF-1α、FXR、PPAR、SERCA2a、Sirtuin 1)在心肌缺血再灌注損傷、心肌梗死、心力衰竭等心血管疾病的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮重要作用。隨著進(jìn)一步的研究，將在心血管發(fā)育和維持心臟功能的過程中發(fā)現(xiàn)更多的蘇木化蛋白。另一方面，蘇木化已被證明在心肌缺血再灌注損傷及其他心臟疾病中具有保護(hù)作用，針對蘇木化信號通路中的基因操作及小分子藥物的研發(fā)，包括一些物理方法和化合物正在開發(fā)中，以針對蘇木化途徑。但現(xiàn)有的臨床療法并不能完全解決冠心病患者的MI/R 損傷。蘇木化的機(jī)制在血管介入和藥物溶栓等臨床治療中尚未見報道。因此，靶向蘇木化被認(rèn)為可能是治療這些心臟疾病的一個很好的方向。未來需要更進(jìn)一步的研究來闡明蘇木化的具體作用機(jī)制，有利于進(jìn)一步開發(fā)治療心血管疾病的靶向藥物。